Das Darmmikrobiom

1. Darmmikrobiom
1.1 Zahlen und Fakten zum Darmmikrobiom
1.2 Aufgaben des Darmmikrobioms
1.3 Zusammensetzung des Darmmikrobioms
1.4 Beeinflussung des Darmmikrobioms
2. Darmmikrobiom in der Forschung

1. Darmmikrobiom

Das Darmmikrobiom setzt sich aus Bakterien, Archaeen und Pilzen zusammen und ist ein natürlicher Bestandteil des menschlichen Körpers. Die genaue Zusammensetzung variiert von Person zu Person. Dabei können bestimmte Zusammensetzungen als eher vorteilhaft oder eher ungünstig eingestuft werden. Ein Mikrobiom, das von der gesunden Norm abweicht, wird mit dem Auftreten bestimmter Krankheiten in Verbindung gebracht. Die Darmbakterien erfüllen zahlreiche wichtige Funktionen, darunter die Schulung und Beeinflussung der Entwicklung des Immunsystems, die Herstellung von Vitaminen, den Schutz vor Krankheitserregern und vieles mehr.

1.1 Zahlen und Fakten zum Darmmikrobiom

Das Darmmikrobiom macht circa 1-2 kg des Körpergewichtes aus und der menschliche Körper besitzt ungefähr genau so viele Zellen, wie sich Bakterien in unserem Darm befinden (1). Dies erlaubt eine unglaubliche Bereicherung des genetischen Pools, was einen enormen Funktionsgewinn bedeutet.
Das Darmmikrobiom eines jeden Menschen ist in seiner Zusammensetzung individuell. Diese Zusammensetzung verändert sich zwar im Laufe des Lebens (siehe Abbildung), doch bleibt ein gewisser Kern konstant (2). Dies verdeutlicht allerdings auch, dass es keine als „normal“ zu bezeichnende Mikrobiom-Zusammensetzung gibt. Jedoch wird das Vorhandensein bzw. nicht-Vorhandensein gewisser Mikroben als vorteilhaft eingestuft. Ein von der Norm abweichendes Mikrobiom ist also meist gleichbedeutend mit dem Verlust von vorteilhaften und Überwiegen von unvorteilhaften Bakterien. Zudem hat ein „normales“ bzw. gesundes Mikrobiom eine hohe Diversität (Vielfalt).

1.2 Aufgaben des Darmmikrobioms

Zu den Aufgaben des Darmmikrobioms zählt die Abwehr von Pathogenen, indem die guten Darmbakterien mit den bösen Krankheitserregern um die Siedlungsplätze konkurrieren (3). Des weiteren stellen Darmbakterien Vitamine, Hormone, Neurotransmitter, kurzkettige Fettsäuren (englisch short chain fatty acids, kurz SCFA) und eine Vielzahl anderer Metabolite (z.B. sekundäre Gallensäuren, Aminosäuren, …) her, welche der menschliche Körper für sich nutzen kann (4,5,6). Die SCFA helfen außerdem in der Regulation des Darm-pH-Wertes und dienen teilweise den Darmschleimhautzellen als Energiequelle (7). Eine weitere wichtige Aufgabe der Darmbakterien ist die Beeinflussung und Hilfe bei der Entwicklung des Immunsystems (8). Das Mikrobiom hat somit einen entscheidenden Einfluss auf die menschliche Gesundheit. Folgende Abbildung fasst die Funktionen des Darmmikrobioms zusammen:

1.3 Zusammensetzung des Darmmikrobioms

Die Zusammensetzung des Mikrobioms kann auf verschiedene Weise beurteilt werden.
Bakterien lassen sich anhand ihrer genetischen Eigenschaften in verschiedene Gruppen einteilen. Dies nennt man „taxonomische Einteilung“. Diese Einteilung folgt einem hierarchischen System, das in mehreren Stufen erfolgt: von der Domäne über Stamm, Klasse, Ordnung, Familie und Gattung bis hin zur Art. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Analyse des sogenannten 16S-rRNA-Gens, das bei allen Bakterien vorkommt und sich im Laufe der Evolution nur langsam verändert. Durch den Vergleich der Sequenz dieses Gens können Wissenschaftler Rückschlüsse auf die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen Bakterien ziehen. Die Abbildung zeigt einige wichtige Verterter des Darmmikrobioms sowie deren taxonomische Zugehörigkeit (in Anlehnung an 9):

Eine weitere Art der Einteilung erfolgt durch morphologische Charakteristika mithilfe der sogenannten Gram-Färbung. Diese teilt Bakterien in grampositiv und gramnegativ ein, basierend auf Unterschieden im Aufbau der bakteriellen Zellwand. Grampositive Bakterien besitzen eine dicke Schicht aus Murein (Peptidoglykan), die den Farbstoff bei der Färbung zurückhält und sie dadurch unter dem Mikroskop violett erscheinen lässt. Gramnegative Bakterien hingegen haben eine dünnere Mureinschicht und zusätzlich eine äußere Membran, sodass der Farbstoff nach der Behandlung ausgewaschen wird und sie unter dem Mikroskop rötlich erscheinen lässt.

1.4 Beeinflussung des Darmmikrobioms

Das Darmmikrobiom wird durch viele verschiedene Faktoren beeinflusst. Die wichtigsten hierbei sind die Ernährung (sowie Pro- und Präbiotika), Antibiotika und auch gewisse Medikamente (10).
Probiotika sind lebende Mikroorganismen, wie sie zum Beispiel in Joghurt, Kefir oder Sauerkraut vorkommen. Sie helfen dabei, das Gleichgewicht der Darmflora zu erhalten und diese durch „gute“ Bakterien zu bereichern. Präbiotika sind spezielle Ballaststoffe, die in Lebensmitteln wie Zwiebeln, Haferflocken, Leinsamen und vielem mehr zu finden sind. Sie dienen den positiven Mikroben im Dickdarm als Nahrung und unterstützen deren Wachstum.
Die gezielt gewählten Lebensmittel helfen so, das Ökosystem im Dickdarm zu stabilisieren und die Gesundheit zu fördern. Werden jedoch Antibiotika eingenommen, kann dieses sensible Gleichgewicht gestört werden, da sie nicht nur krankmachende, sondern auch wichtige Mikroorganismen abtöten.
Durch eine bewusste Auswahl an prä- und probiotischen Nahrungsmitteln lässt sich das Darmmikrobiom gezielt unterstützen und der Aufbau eines vielfältigen und gesunden Mikroorganismen-Ökosystems im Dickdarm fördern.

2. Darmmikrobiom in der Forschung

Das menschliche Darmmikrobiom nimmt in der Forschung immer mehr und mehr an Bedeutung zu. Doch woran liegt das?
Zum einen zeigt sich, dass die Mikroorganismen im Darm weit mehr Funktionen übernehmen, als lange Zeit angenommen wurde. Sie sind nicht nur für die Verdauung und Vitaminproduktion wichtig, sondern spielen auch eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Regulation des Immunsystems, der Abwehr von Krankheitserregern und sogar bei der Beeinflussung von Gehirnfunktionen und Verhalten. Zum anderen lassen sich Zusammenhänge zwischen einer gestörten Darmflora und verschiedenen Erkrankungen wie chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, Diabetes, Übergewicht, Allergien oder neurologischen Störungen beobachten. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Perspektiven für Prävention, Diagnostik und Therapie, was das Darmmikrobiom zu einem spannenden und vielversprechenden Forschungsfeld macht.

Quellen

1. 1. Sender R, Fuchs S, Milo R. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biol. 2016 Aug 19;14(8):e1002533. doi: 10.1371/journal.pbio.1002533. PMID: 27541692; PMCID: PMC4991899.
   2. Kundu, P., Blacher, E., Elinav, E., and Pettersson, S. (2017). Our Gut Microbiome: The Evolving Inner Self. Cell 171, 1481-1493. https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.11.024.
   3. Aurora, R., and Sanford, T. (2015). Host Microbiota Contributes to Health and Response to Disease. Missouri Medicine 112, 317-322.
   4. Macpherson, A.J., Slack, E., Geuking, M.B., and McCoy, K.D. (2009). The mucosal firewalls against commensal intestinal microbes. Seminars in immunopathology 31, 145-149. https://doi.org/10.1007/s00281-009-0174-3.
   5. Clarke G, Stilling RM, Kennedy PJ, Stanton C, Cryan JF, Dinan TG. Minireview: Gut microbiota: the neglected endocrine organ. Mol Endocrinol. 2014 Aug;28(8):1221-38. doi: 10.1210/me.2014-1108. Epub 2014 Jun 3. PMID: 24892638; PMCID: PMC5414803.
   6. Spivak I, Fluhr L, Elinav E. Local and systemic effects of microbiome-derived metabolites. EMBO Rep. 2022 Oct 6;23(10):e55664. doi: 10.15252/embr.202255664. Epub 2022 Aug 29. PMID: 36031866; PMCID: PMC9535759.
   7. Rivière, A., Selak, M., Lantin, D., Leroy, F., and Vuyst, L. de (2016). Bifidobacteria and Butyrate-Producing Colon Bacteria: Importance and Strategies for Their Stimulation in the Human Gut. Frontiers in microbiology 7, 979. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00979.
   8. Hooper, L.V., Littman, D.R., and Macpherson, A.J. (2012). Interactions between the microbiota and the immune system. Science (New York, N.Y.) 336, 1268-1273. https://doi.org/10.1126/science.1223490.
   9. Rinninella E, Raoul P, Cintoni M, Franceschi F, Miggiano GAD, Gasbarrini A, Mele MC. What is the Healthy Gut Microbiota Composition? A Changing Ecosystem across Age, Environment, Diet, and Diseases. Microorganisms. 2019 Jan 10;7(1):14. doi: 10.3390/microorganisms7010014. PMID: 30634578; PMCID: PMC6351938.
   10. Maier L, Pruteanu M, Kuhn M, Zeller G, Telzerow A, Anderson EE, Brochado AR, Fernandez KC, Dose H, Mori H, Patil KR, Bork P, Typas A. Extensive impact of non-antibiotic drugs on human gut bacteria. Nature. 2018 Mar 29;555(7698):623-628. doi: 10.1038/nature25979. Epub 2018 Mar 19. PMID: 29555994; PMCID: PMC6108420.